升阻组合式垂直轴风轮的气动性能与结构研究

发布时间：2020-04-29 05:54

【摘要】：与水平轴风轮相比,垂直轴风轮具有无需对风偏航装置的天然优势;但目前却少有兆瓦级以上的大功率垂直轴风力机出现,主要原因在于:升力型风轮运行效率高但起动性能差、阻力型垂直轴风轮起动性能好但运行效率差、升阻组合式垂直风轮是改善起动性能的解决方案但运行效率降低。为了更好的解决此问题,本文针对设计的不同方案的升阻组合式垂直轴风轮进行气动性能与结构研究。基于垂直轴风力机的运行特性,对垂直轴风轮的运行阶段进行了明确的划分,研究了其整个运行阶段的关键性问题;从理论角度分析了升力叶片与阻力叶片的运行特点及组合式垂直轴风轮的运行原理;推导出适用于升阻组合式垂直轴风轮的力矩系数与功率系数的计算公式,为后续章节的气动性能分析与结构设计提供理论指导。为了解决升力风轮与阻力风轮更好的匹配性问题,利用FLUENT流体仿真软件对单种叶片进行气动性能研究,确定了升力叶片的NACA0015翼型与阻力叶片的半圆形翼型。为了得到一种起动性能佳且可以改善运行效率的风轮组合方案,利用FLUENT的“滑移网格技术”对阻力叶片相对升力叶片环向角度的不同分为四种组合方案进行数值模拟仿真,分别研究起动性能、运行效率、切出风速与极限载荷的四种气动性能关键问题,最后获得阻力叶片相对升力叶片的环向位置为45度的最佳组合方案。为了获得既满足强度、刚度又轻质的叶片,首先利用FLUENT仿真结果分析叶片的载荷类型与大小,确定了叶片的内部支撑结构;然后利用ACP铺层仿真软件对叶片铺层材料与铺层方案进行选择并对两叶片进行了铺层区域划分与厚度确定,得到了两叶片的重量分别为14.2吨与0.98吨;最后利用ANSYS对设计的叶片进行了模态分析,确定了叶片的结构振动特性,升力叶片与阻力叶片的最小振动频率分别为0.22671Hz与6.6739Hz,均超过叶片旋转角速度对应的频率0.1404Hz,避免了叶片共振现象的发生。为了获得完整的风轮结构设计方案,确定风轮支撑臂与斜支臂、主轴与轮毂的结构参数并对压臂进行了稳定性分析;利用ANSYS对设计的风轮结构进行模态振型分析,风轮的一阶固有频率最小为0.52958Hz大于风轮运行对应的频率0.1404Hz,可以有效的避免了整个风轮的共振发生,确保了整个风轮运行的可靠性与安全性。
【图文】：

图 1-1 陆上风场的风力机[5]图 1-2 国内最大的海上风力机[5]目前，国内外市场上流行的水平轴风力机主要分为半直驱双馈风力机与永磁直驱风力机。前者传动链中需要增速箱、并网需要变频器，优点是成本较低，缺点是故障率高、并网损失较大；后者不需要增速箱与变频器，优点是可靠度高、并网损失小，缺点是成本增高、体积较大。1.2.2 垂直轴风力发电机垂直轴风力机叶轮回转轴在竖直方向，风轮转动与风向无关，因此不需要水平轴风力机的偏航装置就可以捕风获取风能。垂直轴风力机可分为 3 个主要类型:阻力型垂直轴风力机、升力型垂直轴风力机与升阻组合式垂直轴风力机。阻力型叶轮是利用空气动力的阻力做功，升力型叶轮是利用翼型的升力做功，升阻组合式叶轮是利用阻力叶片的阻力与升力叶片的升力分别做功。阻力型垂直轴风力机主要有Savonius 型、风杯型等，其中 Savonius 型和涡轮型是阻力型垂直轴风力机的典型代表。升力型垂直轴风力机主要有 Darrieus 型风力机Φ型、H 型。研究与应用的主流形状基本上是直叶片和弯叶片，以 H 型和Φ型风轮最为典型[6-8]，，升阻组合式垂

图 1-1 陆上风场的风力机[5]图 1-2 国内最大的海上风力机[5]目前，国内外市场上流行的水平轴风力机主要分为半直驱双馈风力机与永磁直驱风力机。前者传动链中需要增速箱、并网需要变频器，优点是成本较低，缺点是故障率高、并网损失较大；后者不需要增速箱与变频器，优点是可靠度高、并网损失小，缺点是成本增高、体积较大。1.2.2 垂直轴风力发电机垂直轴风力机叶轮回转轴在竖直方向，风轮转动与风向无关，因此不需要水平轴风力机的偏航装置就可以捕风获取风能。垂直轴风力机可分为 3 个主要类型:阻力型垂直轴风力机、升力型垂直轴风力机与升阻组合式垂直轴风力机。阻力型叶轮是利用空气动力的阻力做功，升力型叶轮是利用翼型的升力做功，升阻组合式叶轮是利用阻力叶片的阻力与升力叶片的升力分别做功。阻力型垂直轴风力机主要有Savonius 型、风杯型等，其中 Savonius 型和涡轮型是阻力型垂直轴风力机的典型代表。升力型垂直轴风力机主要有 Darrieus 型风力机Φ型、H 型。研究与应用的主流形状基本上是直叶片和弯叶片，以 H 型和Φ型风轮最为典型[6-8]，升阻组合式垂
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐璋;霍玉雷;陈勇;杨洪伟;谈宏飞;;新型组合式垂直轴风机的优化设计与性能研究[J];浙江工业大学学报;2015年03期

2 王莹;张海杰;曹阳;吴国庆;黄典贵;;螺旋型垂直轴风力机的气动与启动性能研究[J];工程热物理学报;2014年08期

3 冯放;李岩;陈立新;田文强;张影微;;组合型垂直轴风力机气动特性的模拟计算与实验研究[J];太阳能学报;2014年05期

4 张海杰;黄典贵;吴国庆;王颖达;;升阻复合型垂直轴风力机叶片与涡的相互干扰研究[J];机械设计与制造;2014年01期

5 张建新;蔡新;潘盼;;H型垂直轴风力机启动性能分析[J];水电能源科学;2013年05期

6 李岩;田文强;冯放;丁国奇;和庆斌;;组合型垂直轴风力机结合角度对起动性的影响[J];农业机械学报;2012年12期

7 张健宇;李学敏;陈帆;田仁斌;;H型垂直轴风力机翼型的数值模拟及优化[J];流体机械;2012年10期

8 陈学;;新能源产业发展现状及传统能源行业战略选择浅析[J];石油商技;2012年02期

9 赵振宙;郑源;宋晨光;赵振宁;;升阻混合风轮的性能规律[J];排灌机械工程学报;2011年06期

10 戴庚;徐璋;皇甫凯林;钟英杰;;垂直轴风力机研究进展[J];流体机械;2010年10期

相关硕士学位论文 前6条

1 巨文斌;H型垂直轴风力发电机气动规律研究[D];重庆大学;2016年

2 尹伟;大功率直叶片垂直轴风力机气动特性及风轮构型研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 李振朋;升力型、升阻型垂直轴风力机气动计算和优化设计[D];兰州理工大学;2013年

4 史亮;新型升阻混合型垂直轴风力机的数值研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

5 尚彬彬;垂直轴风力发电机叶片结构设计[D];哈尔滨工业大学;2012年

6 刘同平;垂直轴阻力型风力机气动特性分析及优化设计[D];重庆大学;2011年

本文编号：2644287